Negli ultimi 15 anni,
la ricerca nell’ambito delle Brain Computer Interface
(BCI) ha evidenziato un rapido sviluppo: incoraggiati
da una crescente consapevolezza delle necessità e delle
potenzialità della popolazione disabile mondiale, dai
progressi della ricerca e dalla diffusione su larga scala
di calcolatori sempre più potenti ed economici, diversi
gruppi hanno concentrato i loro sforzi nello sviluppo
di tecnologie avanzate di comunicazione e controllo.
Sclerosi laterale
amiotrofica, distrofia muscolare, sclerosi multipla, lesioni
spinali o del tronco encefalico sono esempi di patologie
che possono compromettere il normale controllo dei muscoli
volontari privando il soggetto, nei casi più gravi, di
ogni capacità di interazione con il mondo circostante.
Il computer può almeno in parte sopperire ad alcuni dei
disagi arrecati dalla disabilità a patto che questa non
sia così grave da impedire anche l’utilizzo di questo
strumento: è immediato comprendere come lo sviluppo di
nuovi metodi di interazione con il calcolatore che ne
permettano l’utilizzo anche ai disabili più gravi, possa
estendere i vantaggi della tecnologia moderna. Nell’impossibilità
di ripristinare le vie di comunicazione perse, allo stato
attuale esistono tre principali tipologie di sistemi in
grado di fornire un nuovo strumento di comunicazione ai
soggetti affetti da gravi patologie del sistema motorio.
Questi dispositivi di interfaccia uomo-computer sfruttano
tre diversi segnali biologici come input per l’intero
sistema; più precisamente, si fa riferimento a segnali
elettro-oculografici, elettromiografici ed elettroencefalografici
(EOG, EMG ed EEG). La prima soluzione consiste in un “enhancement”
delle abilità connesse ai muscoli ancora sotto controllo.
Le persone che conservano il controllo del movimento oculare
possono rispondere a domande oppure dare semplici comandi
muovendo gli occhi: grazie alla presenza di un potenziale
tra cornea e retina si può risalire alla posizione degli
occhi mediante elettrodi posti sul viso dell’utente; l’interfaccia
con il computer risulta poi immediata. Gli attuali sistemi
operativi si basano su un’interfaccia grafica grazie alla
quale è possibile svolgere quasi ogni tipo di operazione
con il semplice utilizzo del mouse: stabilendo una relazione
tra lo spostamento dello sguardo dell’utente e la posizione
del cursore sullo schermo si può definire un’interfaccia
uomomacchina. Una seconda possibilità è trovare nuove
vie per i collegamenti neurali interrotti: nel caso di
lesioni spinali si possono utilizzare segnali elettromiografici
prelevati dai muscoli al di sopra del livello della lesione
per comandare con elettrostimolazione diretta quelli interessati
da paralisi. Questi ausili sono spesso efficaci anche
in presenza di disabilità gravi; tuttavia presentano una
seria limitazione richiedendo il controllo di almeno un
muscolo volontario.
E’ evidente che quando vengono applicati a persone affette
da patologie degenerative, con il peggiorare della malattia
è necessario ricorrere a continui interventi di ricalibrazione
dell’ausilio e, nonostante questo, le performance decadono
inesorabilmente.
Alternativamente a questi metodi, si possono fornire al
cervello nuove modalità di comunicazione che non culminano
in un effettore muscolare: la BCI è appunto un sistema
di comunicazione in cui i messaggi (o i comandi) che un
utente manda al mondo esterno non vengono generati attraverso
le normali vie di uscita rappresentate da nervi periferici
e dei muscoli, bensì attraverso l’interpretazione di specifiche
attività cerebrali che rileva e traduce in messaggi utili.
La definizione formale di BCI è “un’interfaccia tra cervello
e computer è un sistema di comunicazione che non dipende
dai normali canali di uscita costituiti dai muscoli e
dai nervi periferici”. La maggior parte delle BCI si basano
su particolari attività cerebrali rilevate con la tecnica
dell’elettroencefalografia: questa tecnica, pur essendo
meno accurata rispetto ad altre usate in diagnostica clinica,
gode di una maggiore economicità e portabilità oltre ad
essere del tutto non invasiva. Le attuali tecniche BCI
utilizzano i segnali EEG rilevati con elettrodi posizionati
sullo scalpo per stabilire un canale di comunicazione
che va dall’utente al calcolatore. Una volta decifrati
i comandi il calcolatore provvede a eseguire le diverse
operazioni, quali ad esempio lo spostamento di un cursore
sullo schermo, l’utilizzo di un’applicazione di word processing
oppure l’attivazione di una protesi meccanica.
Il processo di comunicazione uomomacchina avviene attraverso
questa procedura:
- attività spontanea o stimolazione del soggetto (ogni
stimolo sensoriale produce dell’attività elettrica che
viene proiettata alle corrispondenti aree sensoriali/
corticali);
- acquisizione del segnale EEG;
- elaborazione del segnale;
- classificazione del segnale: in base al riconoscimento
di determinati parametri, il sistema classifica il segnale
e invia una istruzione di output all’esterno.
Le problematiche più importanti che si riscontrano in
questo tipo di applicazioni riguardano in particolare
la fase di elaborazione e di classificazione del segnale
che, per un’efficace applicazione, deve avvenire in tempo
reale, a differenza del tradizionale approccio clinico
con elaborazione dati a posteriori. Inoltre, oggi tutti
i sistemi BCI sono composti in primo luogo da un elettroencefalografo
clinico o prototipale dai costi assai elevati: da 20.000,00
euro (prototipi per BCI) a 35.000,00 euro (dispositivi
per la clinica standard). Per ciò che concerne i segnali,
quelli sotto riportati rappresentano gli approcci sperimentali
finora seguiti. - Ritmo µ. A livello della corteccia sensori-
motoria, nello stesso range di frequenza del ritmo alfa
(7-13 Hz), il ritmo µ è associato all’attività motoria
e diminuisce quando il soggetto si muove o ha intenzione
di muoversi.
Con un opportuno sforzo mentale il soggetto può imparare
a modificare l’ampiezza di questi due segnali: si può
conseguire questo risultato, per esempio, richiamando
qualche immagine molto stimolante o innalzando il livello
di attenzione del soggetto. - Sincronizzazione/Desincronizzazione
evento-correlata (ERS/ERD). Questi segnali EEG sono registrabili
come incrementi (ERS) o decrementi (ERD) movimento-correlati
in specifiche bande di frequenza. Sono maggiormente localizzati
sopra la corteccia sensitivo- motoria e la loro ampiezza
può essere modificata attraverso un opportuno processo
di feedback. Questi segnali esistono anche nel caso in
cui i movimenti siano semplicemente immaginati. Per Motor
Imagery si intende l’attività cerebrale legata alla programmazione
di un movimento senza un’effettiva esecuzione da parte
del soggetto, per questo motivo non richiede alcun tipo
di attività periferica dal momento che rappresenta essenzialmente
un processo mentale di pianificazione e organizzazione
preventiva indotta dalla volontà e non evocata dall’esterno.
La principale differenza tra movimento immaginato e movimento
eseguito è che il primo è semplicemente lo stadio iniziale
del secondo, la cui evoluzione è bloccata ad un non precisato
livello cortico-spinale. - P300. Stimoli sensoriali (visivi,
uditivi o somatosensoriali) inattesi o particolarmente
significativi intervallati a stimoli poco significativi;
tipicamente evocano sulla corteccia parietale un picco
positivo con una latenza di circa 300ms dopo lo stimolo.
Questo segnale è particolarmente evidente sulla linea
mediana dello scalpo. - Potenziali evocati visivi (VEP)
a breve latenza. I potenziali evocati visivi a breve latenza
rappresentano una risposta esogena del cervello a rapidi
stimoli visivi e sono registrati al di sopra della corteccia
visiva ovvero presso la regione occipitale dello scalpo.
- Potenziali corticali lenti (SCP, Slow Cortical Potentials).
I potenziali corticali lenti consistono in variazioni
della polarizzazione corticale in registrazioni che durano
da 300 msec a parecchi secondi. - Potenziali evocati visivi
“Steady- State” (SSVEP). Essi rappresentano la naturale
risposta del cervello a stimoli visivi modulati ad una
specifica frequenza superiore ai 6Hz. Per frequenze di
stimolazione inferiori ai 2Hz si parla di potenziali visivi
transienti o VEP. L’SSVEP è caratterizzato da un incremento
dell’attività EEG alla stessa frequenza di stimolazione.
Il segnale è particolarmente evidente presso la regione
occipitale dello scalpo. L’ampiezza del segnale SSVEP
può essere regolata attraverso un efficace segnale di
feedback fornito al soggetto.
Il WoWS! Lab operante all’interno del TBM Lab del Dipartimento
di Bioingegneria del Politecnico di Milano è da alcuni
anni attivo sul fronte dello sviluppo di dispositivi BCI.
Un obiettivo perseguito e raggiunto all’interno del Laboratorio
è stato l’ideazione e la realizzazione di un EEG portatile
e a basso costo e delle dimensioni di un palmare che ben
si presta alle specifiche applicazioni BCI. Gli obiettivi
del prossimo futuro riguardano lo sviluppo di una user-driven
Brain Computer Interface, basata sul protocollo ERD/ERS,
per creare uno strumento realmente utile e usabile e non
solo un dimostratore di ricerca.
La sfida di questa attività è di sviluppare un sistema
multimodale facile abbastanza per essere integrato in
un sistema domotico e di controllo della casa (migliorando
la qualità della vita), telemonitoraggio di segnali vitali
principali e utilizzabile anche come dispositivo di comunicazione.
La ricerca è ancora molto da sviluppare, ma offre interessanti
prospettive che vanno al di là del semplice ausilio. Grazie
alla collaborazione con enti clinici e riabilitativi quali
l’IRCCS “E. Medea” – Associazione La Nostra Famiglia di
Bosisio Parini (Lecco), l’IRCCS S. Lucia di Roma, e il
Dipartimento di Neuroriabilitazione IRCCS Ospedale San
Camillo di Venezia, si stanno conducendo una serie di
prove su pazienti per orientare ed ottimizzare lo sviluppo
delle nuove generazioni di dispositivi ed algoritmi per
una reale applicabilità su più ampia scala.
A cura di:
Di Giuseppe Andreoni Dipartimento di Bioingegneria – Politecnico
di Milano
Le persone che conservano il controllo del movimento oculare
possono rispondere a domande oppure dare semplici comandi
muovendo gli occhi: grazie alla presenza di un potenziale
tra cornea e retina si può risalire alla posizione degli
occhi mediante elettrodi posti sul viso dell’utente; l’interfaccia
con il computer risulta poi immediata. Gli attuali sistemi
operativi si basano su un’interfaccia grafica grazie alla
quale è possibile svolgere quasi ogni tipo di operazione
con il semplice utilizzo del mouse: stabilendo una relazione
tra lo spostamento dello sguardo dell’utente e la posizione
del cursore sullo schermo si può definire un’interfaccia
uomomacchina. Una seconda possibilità è trovare nuove
vie per i collegamenti neurali interrotti: nel caso di
lesioni spinali si possono utilizzare segnali elettromiografici
prelevati dai muscoli al di sopra del livello della lesione
per comandare con elettrostimolazione diretta quelli interessati
da paralisi. Questi ausili sono spesso efficaci anche
in presenza di disabilità gravi; tuttavia presentano una
seria limitazione richiedendo il controllo di almeno un
muscolo volontario. 
